Evaluación de la resistividad en campo y en laboratorio y su

ISSN 0188-7297
Certificación ISO 9001:2000 ‡
.
Evaluación de la resistividad en
campo y en laboratorio y su
aplicación a pavimentos
Natalia Pérez García
Paul Garnica Anguas
Víctor Hugo Delgado
Noe Landaverde
Publicación Técnica No. 325
Sanfandila, Qro, 2010
SECRETARÍA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES
INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE
Evaluación de la resistividad en campo y en
laboratorio y su aplicación a pavimentos
Publicación Técnica No. 325
Sanfandila, Qro, 2010
Esta investigación fue realizada en la Coordinación de Infraestructura del Instituto
Mexicano del Transporte por la Dra. Natalia Pérez García, Dr. Paul Garnica
Anguas, Víctor Hugo Delgado y Noe Landaverde.
Colaboraron en las mediciones de campo los técnicos Miguel Ángel Cervantes
Nieto, Mario Antonio Pérez González y Luis Alberto Pérez Cortés.
En la fabricación de las placas metálicas para la medición de resistividad en
laboratorio colaboraron el Ing. José Luis Moreno Jiménez y Mario Alberto Montes.
Índice
Resumen
v
Abstract
vii
Resumen ejecutivo
ix
Capítulo 1.
Capítulo 2.
2.1
Capítulo 3.
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Capítulo 4.
4.1
4.2
Capítulo 5.
5.1
Capítulo 6.
6.1
6.2
6.3
6.4
Introducción
Mediciones de variaciones del contenido de agua en tramos
carreteros
Evaluación de las variaciones de contenido de agua
Conceptos sobre resistividad eléctrica de suelos
Definición de resistividad eléctrica
Factores que afectan la resistividad del suelo
3.2.1 Naturaleza del suelo
3.2.2 Contenido de agua
3.2.3 Temperatura
3.2.4 Concentración de sales disueltas
3.2.5 Compactación
3.2.6 Estratificación del terreno
Métodos para evaluar la resistividad en campo y en laboratorio
3.3.1 Método Wenner
3.3.2 Método Schlumberger
3.3.3 Equipo ohmmapper
3.3.4 Método para determinar la resistividad en el
laboratorio
Valores típicos de resistividad en algunos materiales
Mediciones de resistividad en laboratorio
Medición de la resistividad en laboratorio y campo para este
estudio
Procedimiento de laboratorio
Procedimiento de campo
Discusión de resultados de campo
Resultados de campo
5.1.1
Perfiles estratigráficos
5.1.2
Perfiles de resistividad
5.1.2.1 Perfiles de resistividad para el tramo La Venta
5.1.2.2 Perfiles de resistividad para el tramo CENAM
5.1.2.3 Perfiles de resistividad para el tramo Los Cues
Discusión de los resultados de laboratorio
Propiedades índice de los suelos de ensaye
Propiedades de compactación
Condiciones de compactación de los especímenes ensayados
Relación entre resistividad y otras propiedades
6.4.1
Material del Aeropuerto
1
3
3
13
13
14
14
15
16
17
17
18
19
19
21
22
25
25
28
33
33
36
39
39
39
48
48
50
52
57
57
57
61
62
62
6.4.2
Material de la Central de Autobuses
6.4.3
Material de la Comercial Mexicana
6.4.4
Material de la Galera, Santa Rosa y salida a Tlacote
Capítulo 7. Conclusiones y Recomendaciones
Referencias y Bibliografía
Anexo A
64
65
67
71
73
75
Resumen
La importancia de las variaciones del contenido de agua en los materiales que
forman la sección estructural de una carretera se ha demostrado en diversas
investigaciones. Sin embargo, la obtención de datos de campo de dichas
variaciones no es tarea fácil, de hecho, se hace necesario instalar equipos
sofisticados durante o después de la construcción de la carretera. Por tanto, es
deseable que se propongan técnicas para determinar estas variaciones que no
requieran tiempos largos o equipos muy complejos.
Este trabajo muestra una serie de mediciones de perfiles de resistividad obtenidos
en cinco tramos carreteros que se analizaron con el propósito de determinar hasta
dónde mediciones de características más rápidas de determinar (por ejemplo, la
resistividad del suelo) pueden ayudar en la evaluación de las variaciones de
contenido de agua que se puedan presentar en los materiales que forman las
capas de la sección estructural (base, subbase, subrasante y terreno de
cimentación). Por otro lado, el estudio se complementó con mediciones de
resistividad llevados a cabo en laboratorio para varios suelos. Los resultados
demuestran que la resistividad depende de factores entre los que se pueden
mencionar tipo de suelo, contenido de agua, peso volumétrico, etc. Para ilustrar el
efecto de los factores antes mencionados, se presentan las curvas de isovalores
de resistividad y las relaciones entre contenido de agua contra resistividad o grado
de saturación contra resistividad.
Palabras clave: resistividad del suelo, pavimento, cambios en el contenido de
agua, curvas de compactación.
v
Abstract
The importance of water content changes of materials that constitute the pavement
has been demonstrated in many researches. These changes are not easy to
determine. As a matter of fact, it is necessary to install special equipment after or
during construction in order to determine this behaviour. Thus, it is desirable to put
forward new techniques to determine water content changes in short times and
also with equipments easy to operate.
This research work shows a series of resistivity profiles measured in five highway
sections with the purpose of determining to what extent soil resistivity can be
utilized to assess water content changes in the unbound materials (base, subbase,
subgrade or soil support). On the other hand, this study was complemented with
laboratory measurements of resistivity on some fine-grained soils. The results
demonstrate that resistivity depends on many factors such as water content, dry
unit weight, etc. To illustrate this dependence it is shown the isolines of resistivity
plotted in the compaction space. At the end, some curves of water content versus
resistivity and degree of saturation versus resistivity are shown for completeness.
Key words: soil resistivity, pavement, water content changes, compaction curves.
vii
Resumen ejecutivo
El diseño de pavimentos depende en gran medida de tres grandes factores: clima,
cargas del tránsito y propiedades de los materiales que conformarán la sección
estructural. El papel que juega el clima junto con el comportamiento de los
materiales es uno de los aspectos que más influye en el desempeño de un
pavimento en servicio como se mostrará en este documento.
De forma general, la literatura que toca el tema de diseño de pavimentos muestra
resultados de las variaciones estacionales de los contenidos de agua que se
presentan en los materiales que conforman las capas de las estructuras carreteras
(materiales de base, subbase, subrasante y terreno natural). Estas variaciones
afectan en gran medida el desempeño del pavimento ya que una vez que los
materiales experimentan un incremento en el contenido de agua sus propiedades
se modifican con respecto a las que tenían cuando fueron colocados y por tanto, la
superficie de rodamiento comienza a presentar una serie de deterioros dentro de
los que se pueden mencionar el agrietamiento por fatiga, la deformaciones
permanentes o roderas, los agrietamientos longitudinales, etc. Estas fallas hacen
que la funcionalidad del pavimento disminuya hasta niveles en los que puede ser
intransitable si no se proporciona el mantenimiento adecuado.
Debido a lo anterior, las variaciones en contenidos de agua y en propiedades de
los materiales se han determinado en varios tramos de prueba en Estados Unidos
y otros países europeos, es decir, naciones que cuentan con el financiamiento que
les permite llevar a cabo instrumentaciones con equipos que determinan tanto
cambios en contenidos de agua, esfuerzos provocados por el tránsito, cambios de
temperatura, etc. Instrumentar una obra para determinar su comportamiento
después de haber sido puesta en servicio implica la ejecución de varias tareas, por
ejemplo, la colocación de los equipos, la toma de datos, el mantenimiento de los
equipos, análisis de información, etc. Todo esto es posible realizarlo en los países
antes mencionados; no obstante, en países en desarrollo, es difícil la adquisición
de tales instrumentos, por tanto, existen muy pocas investigaciones en las que se
muestren resultados de la variación de las propiedades de los materiales que
forman la carretera después de que se ha construido. Tomando como base esta
información, en el Instituto Mexicano del Transporte (IMT) se han llevado a cabo
estudios con miras a obtener dicho comportamiento basándose en propiedades
que sean más fáciles de evaluar y que su determinación sea en un lapso de
tiempo corto.
Uno de los equipos con los que cuenta el IMT es el ohmmapper; con este equipo
se pueden determinar las variaciones de resistividad a diferentes profundidades
para un cierto tipo de terreno. Este equipo fue utilizado para determinar las
variaciones de resistividad hasta 2.1 m de profundidad en cinco tramos de
carretera cercanas al IMT. La longitud estudiada en cada tramo fue de 200 m. El
ix
objetivo que se perseguía con la determinación de estas mediciones es que junto
con mediciones de resistividad realizadas en laboratorio se pudieran determinar
las variaciones de contenido de agua que se presentaron en cada uno de los
meses estudiados.
La publicación se desarrolla de la siguiente forma:
En el capítulo 2 se muestran una serie de mediciones de variaciones en
contenidos de agua y otras propiedades de materiales en secciones de carreteras
en diferentes países. Asimismo, se hace referencia a datos de deflexiones
presentados por Rico y del Castillo (1989) donde se manifiesta que éstas no
presentan diferencias apreciables a pesar de que se tomaron en diferentes épocas
del año. Otros estudios de literatura muestran cómo se van presentando los
cambios en los materiales que forman la sección estructural.
En el capítulo 3 se discuten aspectos relacionados a la resistividad eléctrica; es
decir, desde su definición, factores de los que depende, métodos para su
determinación y finalmente algunos resultados de literatura con respecto a
estudios de laboratorio.
El capítulo 4 es una breve descripción del procedimiento de laboratorio y de
campo utilizado en la determinación de la resistividad de los suelos en estudio.
Finalmente, los capítulos 5 y 6 presentan la discusión de los perfiles de
resistividad obtenidos en campo, así como también los perfiles de suelo que se
observaron en los pozos a cielo abierto realizados en cada uno de los tramos. Los
resultados de laboratorio demostraron que el valor de resistividad depende tanto
del contenido de agua como del peso volumétrico seco, tipo de suelo, etc. Por otro
lado, también se muestran las gráficas en las que se puede observar que a mayor
contenido de agua la resistividad disminuye. Se indica también la relación entre
resistividad y contenido de agua volumétrico para tres suelos; de esta relación se
aprecia que diferentes tipos de suelos pueden proporcionar los mismos valores de
resistividad.
Para finalizar, se presentan las conclusiones que se desprenden del estudio y el
anexo A donde se muestran los perfiles de resistividad y las fotografías de los
tramos 2 y 3 que no fueron analizados en la discusión.
1 Introducción
El diseño empírico-mecanicista para pavimentos es la propuesta en boga en la
ingeniería de pavimentos para determinar los espesores de las capas que
formarán la estructura. Esta tendencia implica que se deberán de llevar a cabo
estudios de las propiedades de los materiales, tránsito y de las condiciones
climáticas de forma más rigurosa considerando el nivel que se trabaje dentro de la
guía de diseño (nivel 1, 2 ó 3). Por ejemplo, cuando se desea utilizar el nivel 1, se
determinarán todas las propiedades de los materiales en laboratorio, el tránsito se
manejará con espectros de carga, los datos climáticos se tomarán de las
estaciones climáticas existentes, etc. A medida que el nivel se acerca al 3, las
exigencias en la obtención de propiedades y otras características es menor, es
decir, se pueden usar correlaciones para determinar propiedades o utilizar valores
conocidos para los materiales de la región.
Una de las claves del diseño empírico-mecanicista es la determinación de la
variación de las propiedades de los materiales de acuerdo con los cambios
climáticos. Los cambios de temperatura afectan de manera importante el
comportamiento de la carpeta asfáltica y los cambios de contenido de agua
modificarán las propiedades de los materiales de base, subbase, subrasante y
terreno de cimentación, siendo más notable el efecto en materiales finos, que en
muchas ocasiones forman la última capa mencionada.
Todo esto ha traído como consecuencia que diversas investigaciones en el área
de pavimentos estén enfocadas al estudio de las variaciones de contenido de
agua y temperatura en secciones de pavimento y su efecto en el comportamiento
del mismo. El trabajo que se presenta a continuación es el estudio de la variación
de la resistividad de algunos materiales compactados en laboratorio y mediciones
de la misma en tramos carreteros. El objetivo es determinar si las mediciones de
resistividad pueden utilizarse como un medio para predecir las variaciones de
contenido de agua en los materiales que forman la estructura del pavimento.
1
2 Mediciones de variaciones del contenido de
agua en tramos carreteros
El desarrollo de los métodos de diseño de pavimentos ha seguido un rumbo que
quizá nunca nadie imaginó. Haciendo una reseña histórica, puede decirse que los
primeros diseños de los caminos se basaban únicamente en conocimientos
empíricos. Posteriormente, se usaron las propiedades índice de los materiales
para determinar la posibilidad de ser utilizados como material de construcción.
Con el paso de los años, los métodos de diseño han evolucionado debido a las
nuevas necesidades, es decir, el número de vehículos que transitan por las vías
ha cambiado considerablemente, ahora las cargas que transportan los vehículos
pesados son mayores y en muchas ocasiones rebasan los niveles dispuestos por
la Secretaría de Comunicaciones y Transportes; los terrenos por los que se
construyen los trazos están formados por suelos que presentan problemáticas
complejas, etc.
En la actualidad, el ingeniero que diseña pavimentos sabe que existen infinidad de
variables que deben tomarse en cuenta para determinar los espesores que tendrá
cada una de las capas; no obstante, también es cierto, que a medida que se
incrementa el número de variables, los métodos de diseño se vuelven más
refinados y complejos y como consecuencia algunas veces no pueden ser
utilizados aun cuando sean muy prometedores o al utilizarse se hace uso de datos
que han sido determinados para otras regiones.
A continuación se presentan datos de variaciones del contenido de agua de
materiales que forman las carreteras mostradas en la literatura y cómo afectan las
propiedades de los mismos. Este tema es de suma importancia ya que en el
método AASHTO empírico-mecanicista uno de los aspectos a predecir es la
variación de las propiedades de los materiales (base, subbase, subrasante y
terreno de cimentación) debido a cambios en contenido de agua durante la vida
útil de la obra.
2.1 Evaluación de las variaciones de contenido de
agua
Durante el desarrollo del programa “Desempeño de pavimentos a largo plazo” (por
sus siglas en inglés LTPP) que se llevó a cabo en Estados Unidos, se realizaron
investigaciones de secciones de pavimentos nuevos o en servicio. De estos
estudios, Heydinger (2002) presentó resultados de variaciones de contenido de
agua en materiales de subrasante para un tramo carretero de Ohio. La Figura 2.1
muestra las secciones del pavimento que se construyeron con carpeta de concreto
asfáltico y concreto hidráulico. Los espesores de cada una de las capas así como
3
la localización de los sensores en el material de subrasante se pueden observar
en la misma figura.
Figura 2.1
Secciones de pavimento en Delaware, Ohio y profundidades a las que se
colocaron los dispositivos de medición (Heydinger, 2002)
Los contenidos de agua volumétricos que se midieron en el material de subrasante
(clasificado como CL) cuando se colocaron los dispositivos de medición fueron de
35 y 42 %. El equipo utilizado para la determinación de los contenidos de agua fue
el Time Domain Reflectory (TDR). Éstos fueron colocados en la subrasante y en la
base no estabilizada. Los resultados obtenidos se indican en la Figura 2.2.
4
Mediciones de variaciones de contenido de agua en tramos carreteros
Figura 2.2
Variaciones del contenido de agua medidos con los TDR 1, 2, 3, 4 y 10 en la
sección de pavimento asfáltico
Los resultados de la Figura 2.2 indican que al parecer no existe ninguna relación
entre el contenido de agua volumétrico obtenido y las lluvias que se presentaron;
por tanto, Heydinger concluyó que se puede predecir la variación del contenido de
agua sin tomar en cuenta la precipitación que se pueda presentar (Heydinger,
2002).
En el caso de los pavimentos de concreto hidráulico, nótese que la variación de
contenido de agua y temperatura en la subrasante siguen el mismo patrón (Figura
2.3). Se puede notar que el rango de variaciones de contenido de agua
volumétrico en 6 años estuvo entre 33 % a 42 % máximo, tomando en cuenta el
punto de 33 % localizado en año 2000 parece ser un dato que está fuera de la
tendencia, si no se toma en cuenta este punto, la variación sería entre 35 y 42 %,
lo que corresponde a una variación máxima de contenido de agua volumétrico de
7 % en los 6 años de estudio.
5
Figura 2.3
Variación del contenido de agua volumétrico en el pavimento de concreto
hidráulico
Gukunski, et al. llevaron a cabo un estudio de variaciones de contenido de agua,
temperatura del pavimento y del aire, cantidad de precipitación, profundidad de
congelamiento, etc, para varios tramos carreteros en el estado de Nueva Jersey,
EU. En el artículo publicado, los autores presentan resultados para un tramo de
pavimento flexible localizado en la carretera interestatal I-287 (pavimento
constituido de la siguiente manera: 25.4 cm de concreto asfáltico, 10.16 cm de
base de roca triturada y 33 cm de grava arenosa como material de subbase). La
gráfica de variación de contenido de agua de la subrasante muestra -al menos
para el periodo de tiempo monitoreado- que desde abril hasta octubre de 2002 el
contenido de agua varió entre 30 y 35 %. A partir de octubre, el contenido de agua
presenta variaciones más importantes (Figura 2.4).
Figura 2.4
Variaciones de contenido de agua en un tramo de pavimento flexible de
Nueva Jersey (Gukunski, et al.)
6
Mediciones de variaciones de contenido de agua en tramos carreteros
Los tramos de carreteras hasta ahora mencionados se construyeron en Estados
Unidos; sin embargo, también se han llevado a cabo estudios de las variaciones
de contenido de agua en otros países. Por ejemplo, en Sudán se realizó una
investigación en un tramo de carretera con el objetivo de estudiar el
comportamiento de una arcilla compactada (en el lado seco de la curva de
compactación) para formar un terraplén. La razón de compactar en el lado seco
estuvo asociada a los grandes costos del agua debido a la escasez de este
recurso en el área ya que la precipitación anual es de 400-500 mm, concentrada
en los meses de junio a septiembre.
El material por compactar para formar el terraplén (1.2 m de altura) correspondió a
un limo de alta compresibilidad (MH) con 87 % de material que pasa la malla No.
200. La sección en estudio tenía una longitud de 600 m y fue dividida en 6
subsecciones y las variables serían el contenido de agua de compactación y tipo
de rodillo para compactar (uno de 10 y otro de 8 toneladas) (Figura 2.5). Dicha
Figura ejemplifica el tipo de estructura que fue colocada sobre el terraplén.
Figura 2.5
Tramo de prueba Sennar-Kosti (Ellis, 1980)
El tramo se construyó antes de la temporada de lluvias. Los resultados de
contenido de agua muestran que las variaciones (datos tomados del eje central)
están en el rango de 3 a 4 %, es decir, variaciones muy ligeras con respecto a las
condiciones iniciales. Sin embargo, en la subsección en la que sólo se tiene grava
en la superficie es la que experimenta menos variaciones (Figura 2.6).
7
Figura 2.6
Variaciones de contenido de agua a lo largo del eje central del tramo
De las inspecciones visuales que se llevaron a cabo se llegó a la conclusión de
que el comportamiento del tramo era satisfactorio.
Salem, et al. (2002) muestran las variaciones de contenido de agua y módulo para
una arcilla que forma la subrasante de un pavimento localizado en Maryland, EU
(secciones de estudio del programa LTPP). Un ejemplo de los resultados que
proporcionan los autores se visualiza en la Figura 2.7. Se observa que a medida
que el contenido de agua se incrementa, el módulo disminuye y viceversa. Es
importante hacer notar que la máxima variación en contenido de agua es de
aproximadamente 1.2 % durante el periodo de un año y cuatro meses lo que trae
como consecuencia una variación de módulos entre 105 y 135 MPa.
8
Mediciones de variaciones de contenido de agua en tramos carreteros
Figura 2.7
Variaciones estacionales de contenido de agua y módulo en una carretera en
servicio (Salem, et al., 2002)
Otro aspecto importante en las variaciones de contenido de agua es que
dependen también del tipo de suelo. Para el caso de la arena, las variaciones
fueron menores (Figura 2.8) comparadas con las que se presentan en la arcilla
(Figura 2.7).
La Figura 2.8 muestra que la variación de contenido de agua para la arena fue
únicamente 0.5 % y con respecto al módulo fue de aproximadamente 43 kPa
(diferencia entre los valores máximo y mínimo).
Figura 2.8
Variaciones de contenido de agua y módulo en una subrasante formada por
una arena pobremente graduada (Salem, et al., 2002)
9
Otro ejemplo de variaciones de contenido de agua es el que se muestra en la
literatura para una carretera construida en Kenia donde se utilizó arcilla expansiva
para formar el relleno y la capa de subrasante (O’Connell y Gourley, 1993). El
contenido de agua al que se compactó la arcilla fue entre 13 a 16 %, valor bajo
comparado con el óptimo (28 %). Estos mismos valores de contenido de agua se
midieron después de haber terminado la construcción. Siete meses después, a
más de 60 cm de profundidad no existen variaciones importantes en el contenido
de agua o succión total, pero se aprecia que éstos empiezan a incrementarse en
los hombros de la carretera y, además, se observa que el frente de humedad se
va moviendo hacia el centro de la sección (Figura 2.9).
Figura 2.9
Variaciones de la succión total en la sección de pavimento después de siete
meses de la construcción (O’Connell y Gourley, 1993)
Los resultados que se encuentran en la literatura corresponden a estudios en
pavimentos localizados en regiones climáticas muy particulares. Para el caso de
10
Mediciones de variaciones de contenido de agua en tramos carreteros
condiciones mexicanas se han realizado muy pocos estudios, como por ejemplo,
el caso de mediciones de deflexiones citado por Rico y del Castillo (1992). Los
resultados de deflexiones que presentan se realizaron en dos épocas muy
diferentes, es decir, a finales de la temporada de lluvias y al terminar el periodo de
estiaje. Las deflexiones no manifiestan diferencias apreciables en la condición
estructural de las secciones (Figura 2.10).
Figura 2.10
Mediciones de deflexión (Rico y del Castillo, 1989)
Como se puede notar de la recopilación de información presentada, en casi todos
los casos las variaciones de contenido de agua fueron ligeras. Quizá dependerá
de la zona en estudio -aquellas áreas en donde se presente congelamientodeshielo, las variaciones serán muy importantes; en zonas muy secas las
variaciones probablemente sean mínimas-. Por otro lado, las variaciones también
dependerán mucho de la posición del nivel freático.
Debido a la gran variación de climas que se pueden presentar en nuestro país es
importante que se lleven a cabo estudios de este tipo en distintas regiones del
país de tal forma que se tengan datos como los presentados anteriormente pero
aplicados a las condiciones mexicanas.
11
3 Conceptos sobre resistividad eléctrica de
suelos
3.1 Definición de resistividad eléctrica
La resistividad eléctrica (ρ) de un material describe la dificultad que encuentra la
corriente eléctrica a su paso por él. De igual manera se puede definir la
conductividad (σ) como la facilidad que encuentra la corriente eléctrica al atravesar
el material.
La resistencia eléctrica que presenta un conductor homogéneo está determinada
por la resistividad del material que lo constituye y la geometría del conductor. Para
un conductor rectilíneo y homogéneo de sección “s” y longitud “l”, la resistencia
eléctrica es:
R=ρ
l
s
(3.1)
A partir de la ecuación (3.1) se puede despejar la resistividad, quedando la
ecuación como:
ρ=
R⋅s
l
(3.2)
La unidad de resistividad en el Sistema Internacional es el ohm por metro (Ω-m) u
ohm por centímetro (Ω-cm).
La Figura 3.1 ilustra un esquema para la determinación de la resistividad eléctrica
de una muestra de material cuyas dimensiones son 1 m de lado por 1 m de
profundidad.
Figura 3.1
Diagrama esquemático para la determinación de la resistividad eléctrica
13
La resistividad es una de las magnitudes físicas con mayor variación para diversos
materiales y por supuesto para los suelos. Su valor depende de diversos factores
como: temperatura, humedad o presión, relación de vacíos, peso volumétrico, etc.
A continuación se resume la forma en que cada uno de estos factores hace variar
la resistividad.
3.2 Factores que afectan la resistividad del suelo
En un medio conductor homogéneo e isótropo, el valor de la resistencia en
cualquier punto es igual. Sin embargo, el suelo es un medio heterogéneo y
anisótropo, por tanto, es de esperarse que los valores de resistividad dependan de
varios factores. Se pueden mencionar los siguientes:
• Naturaleza del tipo de suelo o material
• Humedad
• Temperatura
• Concentración de sales disueltas
• Estratigrafía
• Variaciones estacionales
• Compactación
3.2.1 Naturaleza del suelo
Los suelos pueden ser buenos, regulares o malos conductores de la corriente
eléctrica. La Tabla 3.1 resume valores característicos de algunos materiales. Los
valores que se presentan en esta tabla son puntuales, por ejemplo, el valor de
resistividad de la arcilla es de 40 ohms-m, sin embargo, otros estudios muestran
que la resistividad de este material puede variar en un rango muy amplio.
Con respecto al tipo de material, cabe señalar que a medida que el tamaño de las
partículas se incrementa, la resistividad se incrementa. Por ejemplo, una grava
tiene mayor resistividad que la arena, y ésta presenta un valor mayor con respecto
a la arcilla. La razón de ésto podría ser el tamaño de los vacíos que se generan en
la estructura y el fluido que se encuentra en ellos. Si el fluido es agua, la
resistividad será baja y si es aire, la resistividad será alta ya que el aire no es
conductor de electricidad.
14
Conceptos sobre resistividad eléctrica de suelos
Tabla 3.1
Valores típicos de resistividad para algunos materiales
(www.lightningman.com.au/Earthing.pdf)
Material
Valor típico de resistividad (ohm-m)
Agua de mar
2
Arcilla
40
Aguas subterráneas
50
Arena
2 000
Granito
25 000
Hielo
100 000
3.2.2 Contenido de agua
Algunas investigaciones de resistividad de suelos han mostrado que este
parámetro depende en gran medida del contenido de agua. Por ejemplo, los
resultados publicados por Ozcep, et al (2009) muestran que existe una relación
exponencial entre contenido de agua y resistividad (Figura 3.2).
Figura 3.2
Variación de la resistividad en función del contenido de agua
Los resultados de la Figura 3.2 corresponden a un estudio que se llevó a cabo en
Turquía. Los valores de resistividad se obtuvieron con mediciones VES (Vertical
Electrical Sounding) y los contenidos de agua se obtuvieron por secado de
muestras que se extrajeron de los pozos que se realizaron. Los valores mostrados
corresponden a una arena.
15
3.2.3 Temperatura
La resistividad del terreno aumenta al disminuir la temperatura, pero cuando el
terreno se enfría por debajo de cero grados Celsius, el agua se congela. El hielo
es aislante desde el punto de vista eléctrico, lo que implica que la movilidad de los
iones del terreno a través del agua se detiene al congelarse (Figura 3.3 y Figura
3.4).
Figura 3.3
Variación de la resistividad del terreno en función de la temperatura
(www.eselecing.cl/documentos/APUNTES/apuntes%20mallas%20a%tierra/ap
untes/unidad2.pdf)
Figura 3.4
Variación de la resistividad con la temperatura
(webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/jramirez/exposiciones_a2003/tema1_resisti
vidadyelectrodosdepat.ppt
16
Conceptos sobre resistividad eléctrica de suelos
Nótese que en las Figuras 3.3 y 3.4 se muestran la variaciones de la resistividad
con la temperatura, sin embargo, en la escala positiva de temperaturas de la
Figura 3.4 la resistividad disminuye, caso contrario se observa en la Figura 3.3.
Para temperaturas altas, el agua empieza a evaporarse y como consecuencia la
resistividad se incrementa (www.cecalc.ula.ve/usuarios/usuarios/sct/resistividad/).
3.2.4 Concentración de sales disueltas
Al presentarse una mayor concentración de sales disueltas en el agua que se
encuentra en el suelo, la conductividad se incrementa y como consecuencia la
resistividad disminuye (Figura 3.5).
Dharmawidjaja, et al. (2008) mencionan que el agua disocia las sales en iones y
cationes que se encargan de transportar los electrones. Recuérdese que el agua
destilada es un aislante y aunque se introduzcan dos electrodos conectados a una
batería, no circulará energía eléctrica. Si se añade cloruro de sodio, la electricidad
comenzará a moverse ya que los electrones empiezan a circular gracias a los
iones disociados.
Figura 3.5
Variación de la resistividad con la salinidad (Jaimes y Torres)
3.2.5 Compactación
Cuando los suelos se compactan a una mayor energía, la relación de vacíos y la
resistividad disminuyen ya que se logra una mejor conducción a través del agua
que pueda contener el suelo como se muestra en el esquema de la Figura 3.6.
Ésto es de esperarse ya que a medida que se incrementa la energía de
compactación –para un mismo contenido de agua- el grado de saturación se
incrementa debido a que se reduce la relación de vacíos y por tanto la relación de
vacíos disminuye.
17
Figura 3.6
Variación de la resistividad en función de la compactación
(www.eselecing.cl/documentos/APUNTES/apuntes%20mallas%20a%tierra/ap
untes/unidad2.pdf)
3.2.6 Estratificación del terreno
Una característica del material con el que se trabaja en el área de mecánica de
suelos es la gran variedad de materiales que se puede tener en un área muy
pequeña tanto en sentido vertical como horizontal. En consecuencia, las
mediciones de resistividad que se llevan a cabo en el terreno por lo regular no
corresponden a materiales homogéneos sino a un perfil de material heterogéneo.
Por tanto, debido a que las capas no son uniformes en un terreno, cuando se mide
la resistividad, en realidad se mide lo que se llama “resistividad aparente”. La
Figura 3.7 muestra un perfil de suelo con sus respectivos valores de resistencia.
Nótese que la resistencia para una arena puede tomar valores de 68 ohms y para
una arcilla con arena valores de 185 ohms.
18
Conceptos sobre resistividad eléctrica de suelos
Figura 3.7
Variación de la resistencia en un perfil estratigráfico
(bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/079)
3.3 Métodos para evaluar la resistividad en campo
y en laboratorio
3.3.1 Método Wenner
En 1915, el Dr. Frank Wenner del U.S. Bureau of Standards desarrolló la teoría de
este método de prueba. Para medir la resistividad del suelo se colocan cuatro
electrodos alineados y enterrados a una misma profundidad. La profundidad de
medición depende de la distancia entre electrodos pero no del tamaño de los
mismos.
El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de
baja frecuencia a través de la tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el
potencial que aparece se mide entre dos electrodos P1 y P2. En las Figuras 3.8 y
3.9 se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos.
19
Figura 3.8
Medición de la resistividad del suelo con el método de Wenner o de los
cuatro electrodos
(bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/079)
Figura 3.9
Medición de la resistividad en campo
20
Conceptos sobre resistividad eléctrica de suelos
A partir de la información de disposición de electrodos y de la lectura de
resistencia, la resistividad se calcula como:
ρ=
4 ⋅ π ⋅ A ⋅R
⎡ ⎡
2A
⎢1 + ⎢
⎢⎣ ⎢⎣ A 2 + 4B 2
(
⎤
2A
−
0.5 ⎥
⎥⎦ 4A 2 + 4B 2
)
(
⎤
⎥
0.5
⎥⎦
(3.3)
)
Donde:
ρ = Resistividad promedio a la profundidad (A) (ohms-m)
A = Distancia entre electrodos (m)
B = Profundidad a la que se entierra el electrodo (m)
R = Lectura de resistencia (ohms)
3.3.2 Método Schlumberger
Este método es parecido al método Wenner con respecto a los cuatro electrodos
que se utilizan; no obstante, los electrodos centrales (o de potencial) se mantienen
a una distancia constante mientras que la distancia de los electrodos exteriores se
va variando para que la profundidad de medición sea mayor (Figura 3.10).
Figura 3.10
Disposición de los electrodos con el método Schlumberger
La ecuación para medir la resistividad con este método es:
ρ = 2 ⋅ π ⋅ R ⋅ (n + 1) ⋅ na
(3.4)
21
3.3.3 Equipo ohmmapper
El equipo ohmmapper es un sistema para medir la resistividad del suelo en áreas
amplias. Consiste de un dipolo receptor, un dipolo transmisor, batería y una
consola donde se almacena la información. Cada dipolo está integrado por dos
cables que funcionan como electrodos ensamblados al transmisor o al receptor,
según corresponda.
El arreglo de electrodos utilizado en el ohmmapper es similar al arreglo dipolodipolo, en donde el transmisor inyecta la corriente y el receptor mide la diferencia
de potencial (Figura 3.11 y 3.12).
Receptor
Transmisor
Figura 3.11 Arreglo del ohmmapper utilizado durante las mediciones
22
Conceptos sobre resistividad eléctrica de suelos
Figura 3.12
Determinación del perfil de resistividades con equipo ohmmapper
El transmisor del ohmmapper genera una corriente que se transmite al terreno a
través de un cable dipolo no conectado a la tierra. Las características capacitivas
del cable dipolo permiten que la corriente del transmisor fluya en la tierra. El cable
dipolo receptor recibe el resultado de las medidas y el receptor la decodifica. Un
cable no conductivo (cuerda) mantiene una separación constante del dipolo
receptor y transmisor para de esta manera arrastrar el arreglo sobre el suelo. La
señal detectada es convertida en una señal digital óptica que es enviada a través
de un cable de fibra óptica, donde es reconvertida en una señal eléctrica y enviada
a la consola para su almacenamiento y posterior procesamiento (Flores, 2003).
La Figura 3.13 muestra un esquema completo del equipo. Se indican la posición
del receptor, transmisor, los cables electrodos, así como la zona de medición; la
profundidad a la que se realicen las mediciones dependerá de la longitud de la
cuerda aislante.
23
Figura 3.13
Arreglo dipolo-dipolo para el ohmmapper
La Figura 3.14 es un ejemplo de los perfiles de resistividad que se generan
después de que los datos obtenidos en campo son procesados. Como se puede
notar en la figura, el resultado es un perfil con zonas de diferentes colores a los
que corresponden valores de resistividad de acuerdo con la escala que se
encuentra en la parte inferior.
Figura 3.14
Perfil de resistividades obtenido con equipo ohmmapper
La diferencia del ohmmapper con los métodos tradicionales es que no se tiene
conexión física del instrumento con el medio, es decir, no existen electrodos
enterrados en el terreno como en caso del método Wenner o Schlumberg. Otra
ventaja es la facilidad con la que se pueden determinar los perfiles de resistividad
en tiempos relativamente cortos.
24
Conceptos sobre resistividad eléctrica de suelos
3.3.4 Método para determinar la resistividad en el
laboratorio
Para evaluar la resistividad en el laboratorio de acuerdo con el procedimiento de
prueba ASTM G 57, se debe colocar la muestra de material dentro de una caja
rectangular de lucita la cual tiene conectados en los extremos los electrodos de
corriente por medio de los cuales se induce ésta desde una fuente de poder (pila)
y en los otros dos extremos se colocan los electrodos de potencial (Figura 3.15).
Figura 3.15
Caja de lucita para medir la resistencia de suelos según el procedimiento
ASTM G 57
Este método resultó de poca utilidad en la investigación debido a la fragilidad de la
caja ya que no soportó los niveles de energía que se aplicaron para compactar las
muestras a los pesos volumétricos y contenidos de agua requeridos.
3.4 Valores típicos de resistividad en algunos
materiales
Como ya se mencionó anteriormente, la resistividad varía en rangos muy amplios;
por ejemplo, la resistividad del agua destilada es de unos 105 ohms-m, por tanto,
puede considerarse como aislante. El agua que se encuentra en la naturaleza
presenta, sin embargo, conductividad apreciable, pues siempre tiene disuelta
alguna cantidad de sal, generalmente cloruro de sodio (NaCl).
Si la resistividad de las rocas dependiera únicamente de los minerales
constituyentes, se consideraría como aislante en la mayoría de los casos, puesto
que el cuarzo, los silicatos, la calcita, etc., prácticamente lo son. En el caso de que
la roca tuviera minerales semiconductores en cantidad apreciable, podría
considerarse como conductora, es decir, sólo lo serían los materiales metálicos.
No obstante, todas las rocas tienen presente una cierta cantidad de poros en los
25
que se puede alojar una determinada cantidad de agua lo que hace que la
resistividad se reduzca. La resistividad de las rocas puede variar ampliamente en
función del contenido en agua, de la salinidad de ésta y del modo de distribución
de los poros. La Figura 3.16 proporciona un esquema con los márgenes de
variación más comunes en algunas rocas y minerales.
Figura 3.16
Gráfico de los valores de resistividad de diferentes rocas y minerales
(www.estrucplan.com.ar/Articulos/verarticulo.asp?IDArticulo=897)
La resistividad de los suelos tiene un margen de variación muy amplio. Un mismo
suelo puede presentar diferentes resistividades con el tiempo debido a factores
como la temperatura o la humedad, siendo el último el más determinante. Por
tanto, es difícil estimar la composición del subsuelo solamente a partir de la
medida de resistividad (www.edicionsupc.es/ftppublic/forum/FEEL0602).
Algunos otros autores presentan tablas en las cuales se muestran los valores de
resistividad. Por ejemplo Dharmawidjaja, et al (2008) reportan la Tabla 3.2 donde
se resumen los valores de resistividad de varios suelos y rocas.
26
Conceptos sobre resistividad eléctrica de suelos
Tabla 3.2
Resistividades de diversos suelos
Naturaleza del material
Resistividad en ohm-m
Terrenos pantanosos
de algunas unidades a 30
Limo
20 a 100
Humus
10 a 150
Turba
5 a 100
Arcilla plástica
50
Margas y arcillas compactadas
100 a 200
Arena arcillosa
30 a 40
Arena silícea
50 a 500
Suelo con boleos cubierto de césped
200 a 3000
Suelo con boleos
300 a 500
Calizas blandas
1500 a 3000
Calizas compactadas
100 a 300
Calizas agrietadas
1000 a 5000
Pizarras
500 a 1000
Rocas de mica y cuarzo
800
Granitos y gneis procedentes de alteración
1500 a 10000
Granitos y gneis muy alterados
100 a 600
Los valores de resistividad que se tienen para limos, por ejemplo, varían entre 20 y
100 ohms-m. Es importante resaltar el hecho de que en la mayoría de las
referencias el valor de resistividad que se muestra para una arcilla plástica es de
50 ohms-m; sin embargo, este valor depende del contenido de agua al que se este
haciendo referencia, lo cual no se menciona en algunos de los documentos
consultados.
Otra referencia (www.mct.dgf.uchile.cl/AREAS/geo_mod0.pdf) muestra los valores
de resistividad de varios materiales. En este esquema sí se aprecia que el rango
de variación de una arcilla puede estar entre 1 y 100 ohm-m (Figura 3.17).
27
Figura 3.17
Resistividad en distintos medios geológicos
3.5 Mediciones de resistividad en laboratorio
Los estudios de laboratorio sobre resistividad en materiales compactados o
inalterados son muy escasos, una de las referencias consultadas es la de AbuHassanein, et al. (1996) que publicaron resultados de mediciones de resistividad
para cuatro tipos de suelo. Las pruebas se llevaron a cabo con muestras
compactadas en un molde de PVC con las mismas dimensiones de un molde de
compactación Proctor estándar. Las energías utilizadas en la compactación fueron
la estándar, modificada y reducida. Para inducir la corriente se colocaron dos
discos de cobre que se presionaron contra las caras del espécimen y la diferencia
de potencial se midió con dos varillas de cobre colocadas en el centro de la
muestra como se aprecia en la Figura 3.18.
28
Conceptos sobre resistividad eléctrica de suelos
Figura 3.18
Esquema de la colocación de placas para inyectar corriente y varillas para
medir la diferencia de potencial (Abu-Hassanein, et al. 1996)
Los resultados de este estudio mostraron que la resistividad de los materiales
estudiados se reduce a medida que el contenido de agua y la energía de
compactación se incrementan (Figura 3.19). Sin embargo, si se observan los
resultados de la gráfica 3.19 (d), se nota que existe un cierto contenido de agua
para el cual el valor de resistividad se mantiene prácticamente independiente de la
energía de compactación.
29
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 3.19
Resultados de resistividad para materiales finos compactados
Por otro lado, si los resultados de la figura anterior se grafican con respecto al
grado de saturación inicial y no con el contenido de agua, el comportamiento
muestra que existe una relación única entre resistividad y grado de saturación; por
tanto, sería más útil esta relación que la que se obtiene con respecto al contenido
de agua gravimétrico (Figura 3.20).
30
Conceptos sobre resistividad eléctrica de suelos
Figura 3.20
Relación entre resistividad y grado de saturación inicial
31
4 Medición de la resistividad en laboratorio y
campo para este estudio
4.1 Procedimiento de laboratorio
Una vez que se obtuvieron las muestras con el peso necesario para el ensaye a
través de cuarteos, el procedimiento de preparación fue el siguiente:
o Determinación del contenido de agua inicial de la muestra. Por ejemplo, wo
= 3.0 %,
o Calcular el agua a adicionar para que la muestra alcance el contenido de
agua requerido. Supongamos que el contenido de agua requerido es de 30
%,
o Antes de realizar el cálculo del agua a adicionar, es necesario conocer la
cantidad de suelo que se va a preparar. Para el ejemplo se utilizará una
muestra de 1 500 g.
o El cálculo de agua a agregar es el siguiente:
Peso suelo seco =
Agua a agregar =
1500
Peso suelo húmedo
=
= 1456.31 g
3.0
wo
1
+
1+
100
100
w requerida − w o
100
× Peso seco =
30 - 3
× 1456.31
100
Agua a agregar = 393.20 g
o Se agrega el agua a la muestra y se mezcla hasta tener un material
homogéneo,
o Se deja equilibrar durante 24 horas para que el agua se distribuya en todo
el material,
o Se calcula la cantidad de material que debe compactarse en el molde para
alcanzar el peso volumétrico requerido. Por ejemplo, para el tipo de
mediciones que se llevaron a cabo se utilizó un molde cuadrado de 10 cm
33
de lado por 10 cm de profundidad. Entonces el calculo del material a
compactar fue de la siguiente forma:
Área del molde = 100 cm2
Volumen del molde = 1030 cm3 (Nota: La altura del molde se considera
10.3 cm para que se tenga un espesor de suelo para poder enrasar la
muestra),
Considerando que el peso volumétrico seco requerido es de 12.6 kN/m3
(1.284 g/cm3), entonces el material húmedo a compactar es:
El peso volumétrico seco de la muestra es:
γm
γd =
1+
w requerida
100
Despejando γm de la anterior ecuación se tiene:
⎛
γ m = γ d ⎜⎜1 +
⎝
w req ⎞
30 ⎞
3
⎟⎟ = 1.284⎛⎜1 +
⎟ = 1.669 g/cm
100 ⎠
100
⎝
⎠
El peso volumétrico de la muestra se define como:
γm =
Peso de la muestra
Volumen de la muestra
Por tanto,
Peso de la muestra = γ m × Volumen de la muestra
Peso de la muestra = 1.669
g
(1030 cm 3 ) = 1719.07 g
3
cm
o Una vez calculado el peso del material, se compacta en el molde con el
número de capas especificada (Figura 4.1)
34
Descripción de los equipos y procedimientos de prueba
Figura 4.1
Compactación de la muestras para medir resistividad
o Se extrae el espécimen del molde y se enrasa,
o Se determinan sus dimensiones y su peso,
o Finalmente se mide el valor de resistencia. Para llevar a cabo esta
medición, en la cara superior e inferior del espécimen se colocan dos
placas de lucita las cuales a su vez tienen una placa de acero de 10 cm de
lado (mismas dimensiones de la superficie del espécimen) que sirven como
medio para transmitir la corriente del equipo al suelo (Figura 4.2).
35
Figura 4.2
Equipo para medir la resistencia de la muestra compactada
o El último punto del procedimiento de prueba es disgregar la muestra y
determinar su contenido de agua de acuerdo con el procedimiento ASTM
2216.
o El valor de resistencia se convierte a resistividad con la ecuación 2.
4.2 Procedimiento de campo
El procedimiento para medir la resistividad de campo es el siguiente:
1. Ensamblar el equipo ohmmapper (transmisor, receptor, consola de
adquisición de datos, cuerdas no conductoras, etc.) y posteriormente
sujetar todo el sistema ya sea a la persona o al vehículo que lo arrastrará
(Figura 4.3),
36
Descripción de los equipos y procedimientos de prueba
Figura 4.3
Ensamble del equipo
2. Si las mediciones se van a realizar sobre una línea (caso de esta
investigación), después de sujetar el equipo a la persona o vehículo, se
arrastra a una velocidad constante. Cabe mencionar que en el primer
arrastre la longitud de cuerda no conductora fue de 1.25 m,
3. Al llegar al final de la línea se pueden tomar mediciones de regreso o se
recoge el equipo para iniciar el siguiente arrastre,
4. Se repiten los pasos 2 y 3 para las longitudes de cuerda no conductora
restantes, las cuales dependerán de la profundidad de medición.
5. Finalmente se realiza en análisis de los datos de campo con el paquete
RES2DINV para obtener el perfil de resistividades.
Cabe mencionar que un perfil de resistividades se obtiene a partir de las
diferentes mediciones obtenidas con las diferentes longitudes de cuerda no
conductora, ya que cada una de ellas proporciona datos a una cierta
profundidad.
37
5 Discusión de resultados de campo
5.1 Resultados de campo
Las mediciones de perfiles de resistividad se llevaron a cabo en cinco tramos de
carreteras cercanos al Instituto Mexicano del Transporte; la longitud de cada tramo
fue de 200 m y se eligieron de tal forma que las condiciones de estratigrafía fueran
diferentes para cada uno de ellos.
Los tramos monitoreados se localizan en la carretera Querétaro-Galindo, entre el
CENAM (Centro Nacional de Metrología) y el poblado la Venta. Los nombres que
se dieron a cada uno de ellos fueron:
•
Tramo 1: La Venta
•
Tramo 2: Instituto Mexicano del Transporte
•
Tramo 3: Sanfandila
•
Tramo 4: Los Cues
•
Tramo 5: CENAM
Las mediciones de los perfiles de resistividad se realizaron en los meses de
marzo, abril, mayo, junio, julio, agosto y noviembre de 2007.
5.1.1 Perfiles estratigráficos
En mayo de 2007 se realizaron tres pozos a cielo abierto en cada uno de los
tramos; éstos se distribuyeron a lo largo de los 200 m para determinar el perfil
estratigráfico. En las Figuras 5.1 a 5.10 se pueden observar los perfiles de cada
uno de los pozos. Cabe mencionar que el suelo que más predomina en la zona
son las arcillas de alta plasticidad con boleos en la parte superficial y subyacen
boleos cementados con suelos limosos.
La Figura 5.1 muestra las fotografías de cada uno de los pozos realizados en el
tramo 1, de igual forma se observa una vista de las condiciones circundantes del
mismo.
39
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 5.1
Tramo La Venta. (a) Perfil de suelo del pozo 1; (b) Perfil del pozo 2; (c) Perfil
del pozo 3; (d) Vista del tramo carretero y localización de pozos
La Figura 5.2 muestra los perfiles de cada uno de los pozos del tramo 1 así como
la distribución de los contenidos de agua de los materiales alterados que se
muestrearon en ese momento. En esta figura se ilustra que el perfil de suelo se
encuentra constituido por una arcilla negra de alta plasticidad con boleos en un
profundidad que va desde 0.3 a 0.6 m. A esta arcilla subyace otra arcilla pero de
un color café claro hasta una profundidad de aproximadamente 2.0 m que fue la
profundidad a la que se realizaron los pozos. Nótese también que el contenido de
agua en todo el perfil es aproximadamente 30 % para los pozos 1 y 2 y para el
pozo 3 se encuentran entre 28 y 38 %.
40
Discusión de resultados de campo
(a)
(b)
(c)
Figura 5.2
Tramo 1. (a) Pozo 1; (b) Pozo 2; (c) Pozo 3
41
Para el tramo localizado frente al Instituto Mexicano del Transporte, la mayor parte
del perfil está formado por una capa superficial de arcilla a la que subyacen boleos
empacados en un limo claro (Figura 5.3). En la Figura 5.3 (c) también se observa
el tramo y la localización del pozo 3.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 5.3
Tramo Instituto Mexicano del Transporte. (a) Pozo 1; (b) Pozo 2; (c) Pozo 3 y
(d) Vista del tramo
Los contenidos de agua para los materiales (arcilla negra y boleos empacados en
limo) de estos pozos variaron entre 20 y 25 % aproximadamente para los
materiales del pozo 1 y 3 (Figura 5.4).
42
Discusión de resultados de campo
(a)
(b)
(c)
Figura 5.4
Tramo 1. (a) Pozo 1; (b) Pozo 2; (c) Pozo 3
43
En el tramo Sanfandila, el suelo está constituido por una capa de arcilla negra con
boleos a la que subyace una capa de arcilla color café claro (Figura 5.5). Como se
puede notar, en esta área ya no se presenta la capa de boleos cementados con
limo que se tenía en el tramo anterior a pesar de que la distancia que los separa
no es muy grande.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 5.5
Tramo Sanfandila. (a) Pozo 1; (b) Pozo 2; (c) Pozo 3 y (d) Vista del tramo
Para esta sección los resultados son interesantes ya que con la distribución de
valores de contenido de agua del pozo 1 se puede observar que se tienen dos
estratos bien definidos, uno hasta 1.0 m y el segundo hasta 2.0 m que fue la
profundidad de muestreo (Figura 5.6).
44
Discusión de resultados de campo
(a)
(b)
(c)
Figura 5.6
Tramo 1. (a) Pozo 1; (b) Pozo 2; (c) Pozo 3
45
En el tramo de los Cues se realizaron dos pozos a cielo abierto de los cuales se
determinó que el perfil de suelo está compuesto por una capa superficial de arcilla
con boleos y subyace una capa de boleos empacados en un limo color blanco
(Figura 5.7). La distribución de contenido de agua muestra que el promedio en
este tramo es aproximadamente 20 % en el primer pozo y hay una mayor
variación en el segundo (Figura 5.8).
(a)
(b)
Figura 5.7
Tramo Los Cues. (a) Pozo 1; (b) Pozo 2
Figura 5.8
Tramo Los Cues. (a) Perfil del pozo 1; (b) Perfil del pozo 2
46
Discusión de resultados de campo
Con respecto a la sección 5 localizada frente al Centro Nacional de Metrología
(CENAM), los estratos están formados por una capa de arcilla de alta
compresibilidad hasta una profundidad de 1.8 m a la que subyace un estrato de
roca. Las fotografías muestran la presencia del material llamado localmente
“tepetate”, sin embargo, éste corresponde al material usado en la construcción de
la carretera (Figura 5.9).
(a)
(b)
Figura 5.9
Tramo CENAM. (a) Pozo 1; (b) Pozo 2
Los perfiles de contenido de agua nuevamente parecen definir los estratos de
materiales que se tienen. Nótese por ejemplo que en el pozo 1 de 0.3 a 1.8 m se
tiene una capa de arcilla y el contenido de agua en esta profundidad es
prácticamente constante, a partir de esta profundidad el contenido de agua tiende
a reducirse ya que la arcilla cambia a una de color más claro. De igual forma para
el pozo 2, el contenido de agua para la profundidad de 0.5 a 1.25 m se mantiene
constante (aproximadamente 25 %) y el suelo en dicha profundidad es una arcilla
de alta compresibilidad (Figura 5.10). Por tanto, con estos resultados puede
decirse que la variación de contenido de agua sí proporciona una idea de la
distribución de los diferentes materiales en un área.
Como puede observarse de los perfiles de cada uno de los tramos, los materiales
que conforman cada sección van desde arcillas de alta compresibilidad, baja
compresibilidad, boleos empacados en limos y roca, por tanto, es de esperarse
que los perfiles de resistividad muestren valores muy variados.
47
(a)
(b)
Figura 5.10
Tramo CENAM. (a) Perfil del pozo 1; (b) Perfil del pozo 2
5.1.2 Perfiles de resistividad
En el inciso siguiente se muestra únicamente la discusión de los resultados de los
tramos La Venta, CENAM y Los Cues, ya que para los otros dos las conclusiones
son similares. En el anexo A se muestran los perfiles de los tramos 2 y 3.
5.1.2.1 Perfiles de resistividad para el tramo La Venta
En la Figura 5.11 se colocaron los perfiles correspondientes a los meses de abril,
junio, julio, agosto y noviembre. Esta figura además tiene una cuadrícula de tal
forma que se puedan obtener valores de resistividad a ciertas profundidades y
cadenamientos para los diferentes meses de estudio. Por ejemplo, la Tabla 5.1
contiene los valores de resistividad para una profundidad de 1.1 m y a
cadenamientos de 2.3, 62.3 y 122 m.
48
Discusión de resultados de campo
Figura 5.11
Tramo 1. Perfiles de resistividades en los meses abril, junio, julio, agosto y
noviembre (iniciando con el de la parte superior)
Tabla 5.1
Datos de resistividad
Cadenamiento
2.3 m
Mes
Resistividad
Ohms-m
Abril
503.5
Junio
38.6
Julio
10.7
Agosto
38.6
Noviembre
38.6
Cadenamiento
62.3 m
Mes
Resistividad
Ohms-m
Abril
956
Junio
73.4
Julio
20.3
Agosto
10.7
Noviembre 73.4
Cadenamiento
122 m
Mes
Resistividad
Ohms-m
Abril
139.5
Junio
139.5
Julio
20.3
Agosto
73.4
Noviembre 73.4
Graficando los resultados de la Tabla 5.1 junto con las fotografías que se tomaron
el día de las mediciones, se observa que en abril donde se tiene un clima seco, los
valores de resistividad son los más altos, sin embargo, para los meses de junio,
julio y agosto donde ya se presentaron lluvias (de acuerdo con el aspecto de la
vegetación del área) la resistividad de los materiales a la profundidad considerada
disminuye. En noviembre donde nuevamente el suelo está seco, las resistividades
tienden a incrementarse (Figura 5.12).
49
1200
Resistividad (ohms-m)
1000
800
600
400
200
0
Abril
Cadenamiento : 2.3 m
Junio
Julio
Cadenamiento: 62.3 m
Agosto
Noviembre
Cadenamiento: 122 m
Figura 5.12
Tramo 1. Valores de resistividad en los cadenamientos 2.3, 62.3 y 122 m
5.1.2.2 Perfiles de resistividad para el tramo CENAM
La Figura 5.13 muestra todos los perfiles de resistividad obtenidos del tramo
CENAM. De éstos se puede notar que existen algunos meses en los cuales se
definen capas de resistividad similar (marzo, abril y julio). Si se toma en cuenta
que los perfiles de los pozos a cielo abierto muestran que entre 30 y 50 cm se
tiene un relleno y después una arcilla negra de alta plasticidad, pareciera ser que
el valor de resistividad de 139.5 ohms-m corresponde al segundo material (CH).
Por otro lado, si se observa el perfil de resistividades de julio, las capas inferiores
disminuyen su resistividad, es decir, el contenido de agua seguramente se
incrementó ya que puede ser la única razón de la variación observada, además,
también se presentaron lluvias como se puede notar en las fotografías de la Figura
5.14.
50
Discusión de resultados de campo
Figura 5.13
Tramo CENAM. Perfiles de resistividad y cuadrícula para obtener
información para análisis
Si se obtienen los valores de resistividad en los cadenamientos 2.1, 62.1 y 122 m
a una profundidad de 1.1 m se obtienen los datos mostrados en la Tabla 5.2.
Tabla 5.2
Datos de resistividad del tramo CENAM a una profundidad de 1.1 m
Cadenamiento
2.1 m
Mes
Resistividad
Ohms-m
Marzo
265
Abril
139.5
Junio
73.4
Julio
73.4
Agosto
73.4
Noviembre
73.4
Cadenamiento
62.1 m
Mes
Resistividad
Ohms-m
Marzo
73.4
Abril
73.4
Junio
139.5
Julio
73.4
Agosto
1.56
noviembre 1.56
Cadenamiento
122 m
Mes
Resistividad
Ohms-m
Marzo
73.4
Abril
73.4
Junio
73.4
Julio
139.5
Agosto
73.4
noviembre 10.7
Graficando los valores anteriores y a su vez colocando las fotografías del tramo
para observar las condiciones que se presentaron, se observa que en el
cadenamiento 2.1 m el valor de resistividad disminuye de marzo a abril y después
de mantiene aproximadamente constante para los otros meses, ésto quizá se
51
debe a que la arcilla es muy impermeable y aun cuando se hayan presentado
algunas lluvias puede ser que el agua no haya penetrado a las capas inferiores.
280
260
240
Resistividad (ohms-m)
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
marzo
abril
Cadenamiento: 2.1 m
junio
julio
Cadenamiento: 62.1 m
agosto
noviembre
Cadenamiento: 122 m
Figura 5.14
Tramo CENAM. Análisis de los valores de resistividad en algunos
cadenamiento y a profundidad de 1.1 m
De forma similar, para el cadenamiento de 122 m no se presentan variaciones en
la resistividad a medida que pasa el tiempo, excepto por el valor obtenido en julio.
5.1.2.3 Perfiles de resistividad para el tramo Los Cues
Este tramo se encuentra localizado en la carretera Querétaro-Galindo del km 8 +
700 al 8 + 900 (Figura 5.15).
52
Discusión de resultados de campo
Figura 5.15
Tramo 4, Los Cues
La Figura 5.16 muestra el esquema de los perfiles de resistividad obtenidos en los
meses de marzo, abril, junio, julio, agosto y noviembre.
Figura 5.16
Perfiles de resistividad del tramo Los Cues
53
De los perfiles se observa que durante los meses de marzo y abril los valores de
resistividad se mantienen prácticamente constantes, además, se observan
estratos de resistividad muy definidos (Figura 5.16).
Si se grafican los valores de resistividad en los cadenamientos de 2.2, 62.2 y 122
m y a 1.1 m de profundidad se obtiene la Figura 5.17. Nótese que sólo en el caso
del cadenamiento de 122 m los valores de resistividad se reducen a medida que
pasa el tiempo, de hecho, esto es congruente ya que la resistividad empieza a
disminuir cuando se presenta la época de lluvias y una vez que se reduce parece
mantenerse en ese valor en los últimos cuatro meses.
Con respecto al cadenamiento de 62.2 m, los valores de resistividad a 1.1 m se
mantienen prácticamente constantes en todos los meses medidos con excepción
del valor obtenido en julio que podría estar relacionado con un error de medición
ya que para este mes los valores de resistividad tienden a mantenerse o reducirse
pero no a incrementarse, y además se puede observar que la vegetación empieza
a crecer lo que indica un incremento en los contenidos de agua del terreno
circundante.
300
Resistividad (ohms-m)
250
200
150
100
50
0
marzo
abril
Cadenamiento: 2.2 m
junio
julio
Cadenamiento: 62.2 m
agosto
noviembre
Cadenamiento: 122 m
Figura 5.17
Análisis de los valores de resistividad a 1.1 m de profundidad para tres
cadenamientos
54
Discusión de resultados de campo
Los análisis anteriores sólo se muestran para los tramos 1, 4 y 5, sin embargo, los
perfiles de resistividades correspondientes a los tramos 2 y 3 incluyen en el anexo
A para aquellos interesados en realizar su análisis. Asimismo se muestran las
fotografías correspondientes donde se observan las condiciones de clima
prevalecientes.
Como se mencionó en párrafos previos, uno de los objetivos principales de estas
mediciones era encontrar alguna forma de correlacionar los valores de resistividad
con el tipo de material y posiblemente con los contenidos de agua. Sin embargo,
de acuerdo con los resultados sí se puede observar que se presentan cambios de
resistividad de los materiales debido a cambios en el contenido de agua, sin
embargo, con los datos que se tienen hasta la fecha es aún difícil decir en qué
porcentaje se presentan estos cambios, para ésto seguramente es necesario
continuar las investigaciones tanto en campo como en laboratorio.
55
6 Discusión de los resultados de laboratorio
6.1 Propiedades índice de los suelos de ensaye
Otro de los objetivos de este trabajo fue determinar el comportamiento de la
resistividad de diferentes materiales en laboratorio, de tal forma que con estos
resultados y los de campo se pudieran obtener conclusiones con respecto a la
posibilidad de evaluar variaciones de contenido de agua de materiales colocados
en campo.
Para el estudio de laboratorio se muestrearon varios suelos en la Ciudad de
Querétaro. Las clasificaciones según el Sistema Unificado de Clasificación de
Suelos son CH, MH, ML. La Tabla 6.1 es un resumen de las propiedades índice y
las características de compactación.
Tabla 6.1
Propiedades índice de los suelos en estudio
Suelo
El Aeropuerto
La Central de Autobuses
Comercial Mexicana
La Galera
Santa Rosa
Salida a Tlacote
Clasficación
MH
ML
ML
MH
CH
CH
Límites de
consistencia
LL
(%)
54
47
*
59
56
72
LP
(%)
34
36
*
33
20
26
IP
(%)
20
11
NP
27
36
46
Características
de
compactación
wopt
γd
(%)
(kN/m3)
38.5
12.34
36.5
12.32
28.8
12.57
34.3
13.00
28.1
13.98
34.0
12.55
Pasa
malla
200
(%)
Gs
94.4
92.4
57.2
89.6
87.6
92.9
2.64
2.66
2.38
2.68
2.56
2.59
6.2 Propiedades de compactación
Una de las propiedades importantes a evaluar cuando se llevan a cabo estudios
de suelos compactados en laboratorio es la determinación de las curvas de
compactación ya que estas forman las bases para determinar las condiciones de
control de elaboración de especímenes. Las Figura 6.1 a 6.6 muestran las curvas
de compactación obtenidas con energía de compactación Proctor estándar,
modificada y reducida para cada uno de los suelos. En las mismas figuras se
indica la curva de grado de saturación igual a 100 %.
57
13.5
Peso volumétrico seco (kN/m 3)
Línea de saturación
13.0
12.5
12.0
11.5
Aeropuerto (MH)
11.0
25
27
29
31
33
35
37
39
41
43
45
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
Figura 6.1
Curvas de compactación para el material del Aeropuerto
14.0
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
Línea de saturación
13.5
13.0
12.5
12.0
11.5
11.0
10.5
Central de Autobuses (ML)
10.0
30
32
34
36
38
40
42
44
46
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
Figura 6.2
Curvas de compactación para el material de la Central de Autobuses
58
6 Discusión de los resultados de laboratorio
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
13.0
Línea de saturación
12.7
12.4
12.1
11.8
Comercial Mexicana (ML)
11.5
20
22
24
26
28
30
32
34
36
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
Figura 6.3
Curvas de compactación para el material de la Comercial Mexicana
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
13.5
Línea de saturación
13.0
12.5
12.0
11.5
La Galera (MH)
11.0
27
29
31
33
35
37
39
41
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
Figura 6.4
Curvas de compactación para el material de La Galera
59
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
15.0
Línea de saturación
14.5
14.0
13.5
13.0
Santa Rosa (CH)
12.5
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
Figura 6.5
Curvas de compactación para el material de Santa Rosa
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
14.0
Línea de saturación
13.5
13.0
12.5
12.0
11.5
11.0
10.5
Salida a Tlacote (CH)
10.0
26
28
30
32
34
36
38
40
42
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
Figura 6.6
Curvas de compactación para el material de la salida a Tlacote
60
6 Discusión de los resultados de laboratorio
Los valores de contenido de agua óptimo y peso específico seco máximo con
respecto a la prueba Proctor estándar se encuentran resumidos en la Tabla 6.1.
6.3 Condiciones de compactación
especímenes ensayados
de
los
Para evaluar la resistividad en laboratorio, los pesos volumétricos de los
especímenes se hicieron variar entre las curvas de compactación obtenidas con
energía de compactación reducida y Proctor modificada como se ilustra en la
Figura 6.7. En esta figura se grafican los puntos de prueba.
14.0
13.5
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
Línea de saturación
13.0
12.5
12.0
11.5
Línea de saturación
13.5
13.0
12.5
12.0
11.5
11.0
10.5
Central de Autobuses (ML)
11.0
10.0
25
27
29
31
33
35
37
39
41
43
45
26
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
Localización de los especímenes ensayados
S i 5
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
Contenido de agua (%)
Energía reducida
(a) Material del Aeropuerto
Energía estándar
Energía modificada
(b) Material de la Central de Autobuses
13.3
13.5
Línea de saturación
13.0
12.7
12.4
12.1
Comercial Mexicana (ML)
11.8
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
Peso volumétrico seco (kN/m3)
Aeropuerto (MH)
Línea de saturación
13.0
12.5
12.0
11.5
La Galera (MH)
11.0
25
27
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
(c) Suelo de la Comercial Mexicana
29
31
33
35
37
39
41
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
(d) Suelo de La Galera
61
13.5
Línea de saturación
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
Peso volumétrico seco (kN/m3)
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
Santa Rosa (CH)
12.5
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
Línea de saturación
13.0
12.5
12.0
11.5
11.0
10.5
Salida a Tlacote (CH)
10.0
24
26
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
(e) Suelo de Santa Rosa
28
30
32
34
36
38
40
42
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
(f) Suelo de la salida a Tlacote
Figura 6.7
Localización de los especímenes ensayados para los suelos de prueba
6.4 Relación entre resistividad y otras propiedades
6.4.1 Material del Aeropuerto
Para el material del aeropuerto clasificado como limo de alta compresibilidad, la
relación que se obtiene entre resistividad y contenido de agua volumétrico o
gravimétrico tiende a una relación lineal como se ilustra en la Figura 6.8. Sin
embargo, a valores bajos de contenido de agua se tiene mayor dispersión en los
datos; lo que trae como consecuencia que el coeficiente de correlación sea 0.65 ó
0.77 dependiendo si el valor de resistividad se relaciona con el contenido de agua
volumétrico o gravimétrico.
Nótese que a medida que el contenido de agua gravimétrico o volumétrico se
incrementa la resistividad tiende a disminuir (Figura 6.8).
Por otro lado, si se determinan las curvas de isovalores de resistividad (Figura 6.9)
y se grafican en el espacio de compactación se puede observar que dichas curvas
presentan un cierto grado de curvatura, lo que indica que los valores de
resistividad para este suelo dependen del peso volumétrico seco y en mayor grado
del contenido de agua; este aspecto no se observa en las gráficas
bidimensionales.
El rango de valores de resistividad para los contenidos de agua ensayados puede
variar desde 7 a 123 ohms-m.
62
6 Discusión de los resultados de laboratorio
(a) Relación entre resistividad y θw
(b) Relación entre resistividad y w (%)
Figura 6.8
Relación entre resistividad y contenido de agua volumétrico o gravimétrico
para el suelo del aeropuerto
13.5
Peso volumétrico seco (kN/m 3)
Aeropuerto (MH)
Línea de saturación
13.0
12.5
12.0
11.5
104
80
56
44
32
20 Ohm s-m
11.0
27
29
31
33
35
37
39
41
43
45
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
Figura 6.9
Líneas de isovalores de resistividad para el suelo del Aeropuerto
63
6.4.2 Material de la Central de Autobuses
Para el limo de baja compresibilidad (ML) la relación entre resistividad y contenido
de agua volumétrico muestra (al igual que el suelo anterior) una relación lineal,
pero en este caso el coeficiente de correlación (R2) toma un valor de 0.8 con
respecto a contenido de agua volumétrico o gravimétrico (Figura 6.10).
Figura 6.10
Líneas de isovalores de resistividad para el suelo de la Central de Autobuses
Aunado a lo anterior, las curvas de isovalores (Figura 6.12) y la superficie de
respuesta (Figura 6.11) evidencian que el valor de resistividad depende tanto del
contenido de agua como del peso volumétrico. Además, la variación de la
resistividad para este suelo varía en un rango de 4 a 41 ohms-m.
Figura 6.11
Superficie de respuesta para el material de la Central de Autobuses
64
6 Discusión de los resultados de laboratorio
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
14.0
Central de Autobuses (ML)
13.5
Línea de saturación
13.0
12.5
12.0
11.5
11.0
30 Ohm s-m
25
20
15
10
5
10.5
10.0
30
32
34
36
38
40
42
44
46
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
Figura 6.12
Líneas de isovalores de resistividad para material de la Central de Autobuses
6.4.3 Material de la Comercial Mexicana
El comportamiento de los valores de resistividad para este material también
muestra una relación lineal con contenido de agua volumétrico, contenido de agua
gravimétrico o con el grado de saturación.
Se ve que a medida que se incrementa el contenido de agua o grado de
saturación, el valor de la resistividad se reduce (Figuras 6.13). Por otro lado, el
rango de valores de resistividad para este suelo es entre 43 y 300 ohms-m para el
rango de contenido de agua estudiado.
65
(a) Relación entre resistividad y θw
(b) Relación entre resistividad y w
(c) Relación entre resistividad y grado de saturación
Figura 6.13
Relación entre resistividad y contenido de agua volumétrico, contenido de
agua volumétrico o grado de saturación
Las relaciones indicadas en la Figura 6.13 no muestran que exista dependencia de
la resistividad con el peso volumétrico; no obstante, si los resultados se analizan
de tal forma que se obtenga tanto la superficie de respuesta y por tanto las líneas
isovalores de resistividad, se obtiene un panorama diferente. Es decir, estas
gráficas sí muestran la dependencia tanto del contenido de agua como del peso
volumétrico seco (Figura 6.14).
66
6 Discusión de los resultados de laboratorio
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
13.0
250
200
150
Línea de saturación
100
12.8
50 Ohms-m
12.6
300
12.4
12.2
Comercial Mexicana (ML)
12.0
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
Contenido de agua (%)
Energía reducida
(a) Superficie de respuesta
Energía estándar
Energía modificada
(b) Líneas isovalores de resistividad
Figura 6.14
Superficie de respuesta y líneas isovalores de resistividad para el material de
la Comercial Mexicana
6.4.4 Materiales La Galera, Santa Rosa y salida a Tlacote
Para discusión de los resultados de los tres últimos suelos sólo se presentan las
gráficas de isovalores (Figura 6.15) ya que las relaciones entre contenido de agua
y resistividad siguen la misma tendencia de las relaciones ya presentadas, es
decir, la resistividad se reduce a medida que el contenido de agua se incrementa.
De las gráficas de isovalores se puede observar que para los tres suelos los
valores de resistividad dependen del contenido de agua y del peso volumétrico; no
obstante, para el caso del material de Santa Rosa y el de la salida a Tlacote, la
dependencia del peso volumétrico es muy ligera ya que las líneas de isovalores
tienden a la vertical, no así para el suelo de La Galera donde las líneas de
isovalores muestran que existe un cambio de curvatura para contenidos de agua
mayores a 31 % (Figura 6.15).
67
La Galera (MH)
15.0
Línea de saturación
13.0
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
13.5
80
12.5
12.0
30 Ohms-m
70
40
11.5
60
Línea de saturación
14.5
14.0
13.5
15
13.0
50
45 Ohms-m
40
35
30
25
20
Santa Rosa (CH)
12.5
11.0
27
29
31
33
35
37
39
18
41
20
22
Energía reducida
Energía estándar
24
26
28
30
32
Energía reducida
Energía modificada
(a) Curvas de isovalores (La Galera)
Energía estándar
Energía modificada
(b) Curvas de isovalores (SantaRosa)
13.5
Peso volumétrico seco (kN/m 3 )
Línea de saturación
13.0
12.5
12.0
11.5
30
11.0
80 Ohms-m
70
60
50
40
10.5
Salida a Tlacote (CH)
10.0
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
Contenido de agua (%)
Energía reducida
Energía estándar
Energía modificada
(c) Curvas de isovalores (salida a Tlacote)
Figura 6.15
Líneas de isovalores de resistividad. (a) La Galera; (b) Santa Rosa y
(c) Salida a Tlacote
Pudiera pensarse que suelos con la misma clasificación podrían presentar los
mismos valores de resistividad. En este estudio se tienen tres pares de suelos
pero los clasificados ML son muy diferentes puesto que uno presenta propiedades
de plasticidad y el otro es no plástico, por tanto, sólo se realizan las
comparaciones de los CH y MH.
La Figura 6.16 muestra la comparación para los suelos CH. Es interesante
observar que a pesar de que ambos suelos son CH, la línea de tendencia del
comportamiento de la resistividad es muy diferente, por ejemplo, para un cierto
contenido de agua, el suelo de la salida a Tlacote que tiene un límite líquido mayor
68
34
Contenido de agua (%)
Contenido de agua (%)
6 Discusión de los resultados de laboratorio
presenta valores de resistividad mayores comparados con los de la arcilla de
arcilla de Santa Rosa que tienen propiedades de plasticidad más bajas.
100
90
Resistividad (ohms-m)
80
Arcilla de Tlacote
% de material fino = 92.9 %
LL = 72 %; IP = 46 %
70
60
50
40
30
20
Arcilla de Santa Rosa
% de material fino = 87.6 %
LL = 56 %; IP = 36 %
10
0
20
25
30
35
40
45
Contenido de agua (%)
Figura 6.16
Comparación entre valores de resistividad de suelos clasificados como CH
Para el caso de los suelos MH también se observa que el suelo con un límite
líquido más alto queda por encima, sin embargo, la diferencia entre estos dos
suelos es mucho menor ya que la diferencia en propiedades de plasticidad es muy
ligera (Figura 6.17).
Resistividad (ohms-m)
100
80
La Galera (MH)
% de material fino = 89.6 %
LL = 59 %; IP = 27 %
60
40
El aeropuerto (MH)
% de material fino = 94.4 %
LL = 54 %; IP = 20 %
20
0
20
25
30
35
40
45
50
Contenido de agua (%)
La Galera (MH)
El aeropuerto (MH)
Figura 6.17
Comparación entre valores de resistividad de suelos clasificados como MH
69
Para finalizar se pueden graficar los resultados de resistividad de los suelos del
Aeropuerto (MH), La Galera (MH) y de la Salida a Tlacote (CH) en una sola figura
para demostrar que a pesar de ser suelos diferentes existen rangos de contenido
de agua volumétrico para los cuales los tres suelos pueden presentar valores de
resistividad similares (Figura 6.18).
140
Resistividad (Ohms-m)
120
100
80
60
40
20
0
25
30
35
40
45
50
55
Contenido de agua volumétrico (%)
Aeropuerto
La Galera
Salida a Tlacote
Figura 6.18
Relación entre resistividad y contenido de agua volumétrico para tres suelos
Considerando que para un suelo de porosidad n, contenido de agua, w y densidad
de sólidos, Gs, el contenido de agua volumétrico, θ, se puede expresar como:
θ = (1 − n)Gs ⋅ w
(6.1)
La relación mostrada en la figura 6.18 y la expresión 6.1 parecen demostrar que la
resistividad de un suelo es primeramente afectado por la presencia de vacíos y
agua. Esto permitiría concluir que es muy factible el usar mediciones de
resistividad eléctrica de un suelo para medir los contenidos de agua presentes y
estimar posibles variaciones de propiedades como “el módulo de resiliencia”. Sin
embargo, se requiere de una mayor investigación para precisar la posible
generalización de una relación única entre resistividad y contenido de agua
volumétrico para un mayor tipo de suelos.
70
7 Conclusiones y Recomendaciones
Conclusiones
Del trabajo presentado se pueden desprender las siguientes conclusiones:
1. Los perfiles de resistividad obtenidos en los tramos de pavimentos
analizados muestran valores de resistividad que van cambiando a medida
que las condiciones de humedad o condiciones climáticas cambian.
2. Para algunos meses los perfiles de resistividad definen el espesor de los
estratos de suelo; sin embargo, esta definición se va perdiendo a medida
que los contenidos de agua de los materiales se van incrementando.
3. Con los perfiles de resistividad se podrían determinar las variaciones de
contenido a través del tiempo siempre y cuando los datos se combinaran
con pruebas de laboratorio llevadas a cabo con los mismos tipos de
materiales que se monitorean en campo.
4. Las pruebas de laboratorio demostraron que la relación entre contenido de
agua y resistividad es lineal, por tanto, si se logran establecer correlaciones
para materiales tipo utilizados en carreteras (bases, subbases y
subrasantes) sería relativamente fácil determinar en qué grado cambian los
contenidos de agua.
5. De los ensayes de laboratorio se observa que el valor de la resistividad al
menos de los suelos analizados depende tanto del peso volumétrico seco
como del contenido de agua, aun cuando la dependencia del peso
volumétrico seco máximo es menor en algunos casos.
6. La correlación entre contenido de agua, contenido de agua volumétrico o
grado de saturación y la resistividad es una relación lineal decreciente, es
decir, a mayor contenido de agua menor resistividad.
7. Para suelos con la misma clasificación y a un cierto contenido de agua, se
pueden obtener valores de resistividad muy diferentes. Pareciera que la
resistividad se incrementa a medida que el límite líquido del material se
incrementa.
8. La comparación de los valores de resistividad de limos de alta
compresibilidad (MH) parece estar más cercana ya que los límites de
consistencia presentan pequeñas variaciones.
9. La relación mostrada en la figura 6.18 y la expresión 6.1 parecen demostrar
que la resistividad de un suelo es primeramente afectado por la presencia
de vacíos y agua. Esto permitiría concluir que es muy factible el usar
71
mediciones de resistividad eléctrica de un suelo para medir los contenidos
de agua presentes y estimar posibles variaciones de propiedades como “el
módulo de resiliencia”. Sin embargo, se requiere de una mayor
investigación para precisar la posible generalización de una relación única
entre resistividad y contenido de agua volumétrico para un mayor tipo de
suelos.
Recomendaciones
Existen diversos métodos indirectos para la determinación del tipo de material y
propiedades en un área donde se desea llevar a cabo un estudio geotécnico. Uno
de estos métodos son los estudios geofísicos que de forma indirecta determinan
posibles perfiles estratigráficos y en algunos casos propiedades mecánicas de los
materiales que forman el perfil; sin embargo, los resultados de estos estudios se
deben tomar con mucha reserva ya que por lo mostrado en este trabajo, diferentes
materiales pueden presentar valores similares de resistividad, por tanto, definir el
tipo de material o contenido de agua a partir de valores de resistividad no es tarea
fácil. Sin embargo, esto podría facilitarse si las mediciones de los perfiles de
resistividad se monitorean durante varios años y además complementar los datos
de estos perfiles con mediciones de resistividad en laboratorio en los mismos
materiales que se tienen en los tramos en investigación ya que con ésto se
podrían obtener modelos que relacionen contenido de agua con resistividad.
Otro de las investigaciones recomendables es determinar la resistividad en
probetas sometidas a trayectorias de humedecimiento y secado, de tal forma que
se puedan determinar modelos entre los gradientes de contenido de agua y el de
resistividad.
72
Referencias y Bibliografía
Abu-Hassanein, Z., Benson, C., y Blotz, L. (1996). “Electrical Resistivity of
Compacted Clays”. Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 122, No. 5.
Bedair, H. M. and H. T. Al-Saad. Dissolved and Particulade Adsorbed
Hydrocarbons in Water of Shatt Al-Arab River, Iraq. Water, Air, Soil Pollution. Iraq
(1992).
Bidleman, T. F.; A. A. Castleberry; W. T. Foreman; M. T. Zaransk and D. W. Wall.
Petroleum Hydrocarbons in the Surface Water of Two Studies in the Southeastern
United States. Est. Coast Shelf Science. EU (1990).
Dharmawidjaja, J., Quezada, A., y Soto, G. (2008). Medida de Resistividad de
Terreno. Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.
Trabajo para la materia de Laboratorio de Redes.
Ellis, C. I. (1980). Soil compaction at low moisture content-field trials in Sudan. 7th
Regional Conference for Africa on Soil Mechanics and Foundation Engineering,
Acrra, Ghana, 1-7 June 1980.
Flores, M. (2003). Uso del método de resistividad para monitorear cambios de
humedad. Trabajo de investigación. Universidad Autónoma de Querétaro.
Heydinger, A.G. (2002). “Evaluation of Seasonal Effects on Subgrade Soils”. 82nd
Annual TRB Meeting, Washington.
PEMEX. El Petróleo. Gerencia de Información y Relaciones Públicas. México
(1988).
Richter, C. A. (2006). Long-Term Pavement Performance Program Seasonal
Variations in the Moduli of Unbound Pavement Layers. Publication No. FHWAHRT-04-079. Federal Highway Administration.
Rico, R. A., y del Castillo, H. (1992). La ingeniería de suelos en las vías terrestres.
Vol. 2. Ed. Limusa.
Salem, H., Bayomy F., y Al-Taher, M. Prediction of Seasonal Variations of
Subgrade Resilient Modulus Using LTPP Data, 82nd Annual TRB Meeting, (2002).
B68.
Saval, B. S. Acciones para la Remediación de Suelos en México. Segundo
Minisimposio Internacional sobre Contaminantes del Agua y Suelo. Instituto de
Ingeniería. UNAM (1995).
Ulmeyer, (2003). Design and construction of rock cap roadways - A case study in
Northeast Washington. TRB 2003 Annual Meeting.
73
Zaghloul, S., Vitillo, N., Gucunski, N. y Ayed, A. (2003). Seasonal variation in
material properties. TRB 2003 Annual Meeting CD-ROM.
Ozcep, F., Tezel, O. y Asci, M. (2009). Correlation between electrical resistivity and
soil-water contents Istambul and Golcuk. International Journal of Physical
Sciences. Vol. 4(6), pp. 362-365, June.
www.edicionsupc.es/ftppublic/forum/FEEL0602.pdf
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/079/htm/sec_10.
htm
http://www.estrucplan.com.ar/Articulos/verarticulo.asp?IDArticulo=897
webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/jramirez/exposiciones_a2003/tema1_resistividady
electrodosdepat.ppt
www.eselecing.cl/documentos/APUNTES/apuntes%20mallas%20a%20tierra/apunt
es/unidad2.pdf
http://www.cecalc.ula.ve/usuarios/usuarios/sct/resistividad/
www.mct.dgf.uchile.cl/AREAS/geo_mod0.pdf
http:// echo.epfl.ch/VICAIRE/mod_3/chapt_4/text.htm
http://www.dot.state.fl.us/statematerialsoffice/Geotechnical/conference/materials/g
ucunski-zaghloul-hadidi-maher-chmiel.pdf (Figura de contenido de agua en la
subrasante 1)
http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe70.html (Figura del método Schulember y
descripción de los dos métodos para medir resistividad)
www.lightningman.com.au/Earthing.pdf
www.mct.dgf.uchile.cl/AREAS/geo_mod0.pdf
74
Anexo 1. Perfiles de Resistividad
Tramo 2. Marzo 2007
Figura A.1
Perfil de resistividades en marzo de 2007
Tramo 2. 27 de abril de 2007
(a) Vista del tramo 2
(b) Otra vista del tramo 2
(c) Perfil de resistividades
Figura A.2
Perfil de resistividades y fotografías del tramo en abril de 2007
75
Tramo 2. 12 de junio de 2007
(a) Vista del tramo 2
(b) Perfil de resistividades
Figura A.3
Perfil de resistividades y fotografías del tramo en junio de 2007
76
Anexo A
Tramo 2. 16 de julio de 2007
(a) Vista del tramo 2
(b) Otra vista del tramo 2
(c) Perfil de resistividades
Figura A.4
Perfil de resistividades y fotografías del tramo en junio de 2007
77
Tramo 2. 23 de agosto de 2007
(a) Vista del tramo 2
(b) Otra vista del tramo 2
(c) Perfil de resistividades
Figura A.5
Perfil de resistividades y fotografías del tramo en agosto de 2007
78
Anexo A
Tramo 2. 5 de noviembre 2007
(a) Vista del tramo 2
(b) Otra vista del tramo 2
(c) Perfil de resistividades
Figura A.6
Perfil de resistividades y fotografías del tramo en noviembre de 2007
79
Tramo 3. Marzo 2007
(a) Vista del tramo 2
(b) Perfil de resistividades
Figura A.7
Perfil de resistividades y fotografías del tramo en marzo de 2007
80
Anexo A
Tramo 3. Abril 26 2007
(a) Vista del tramo 3
(b) Otra vista del tramo 3
(c) Perfil de resistividades
Figura A.8
Perfil de resistividades y fotografías del tramo en abril de 2007
81
Tramo 3. 12 de junio de 2007
(a) Vista del tramo 3
(b) Otra vista del tramo 3
(c) Perfil de resistividades
Figura A.9
Perfil de resistividades y fotografías del tramo en junio de 2007
82
Anexo A
Tramo 3. 6 de noviembre de 2007
(a) Vista del tramo 3
(b) Otra vista del tramo 3
(c) Perfil de resistividades
Figura A.10
Perfil de resistividades y fotografías del tramo en noviembre de 2007
83
84
CIUDAD DE MÉXICO
Av. Nuevo León 210
Col. Hipódromo Condesa
CP 06100, México, D F
Tel +52 (55) 52 653600
Fax +52 (55) 52 653600
SANFANDILA
Carretera Querétaro-Galindo km 12+000
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Pedro Escobedo, Querétaro, México
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www.imt.mx
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